 ▲系外行星艺术想象图  我没有特别的才能，只有强烈的好奇心。永远保持好奇心的人是永远进步的人。好奇心是科学工作者产生无穷的毅力和耐心的源泉。谁要是不再有好奇心也不再有惊讶的感觉，谁就无异于行尸走肉，其眼睛是迷糊不清的。 —— 爱因斯坦 Hello童鞋们大家好，我是略懂皮毛的东哥。 今天东哥又想跟大家聊聊天文。什么？你听到天文就头大？可是GMAT总喜欢考它呀。不信你来看，300难题中的CR题里，就有天体物理相关的题目哦： 300难题209：类地行星 Recent observations suggest that small, earthlike worlds form a very low percentage of the planets orbiting stars in the galaxy other than the sun. Of over two hundred planets that astronomers have detected around other stars, almost all are hundreds of times larger and heavier than the earth and orbit stars much smaller than the sun. Which of the following, if true, would most weaken the above justification of the claim that earthlike worlds form a low percentage of the total number of planets? A. There are millions of planets orbiting stars around which astronomers have not attempted to detect planets. B. The best current astronomical theories predict that almost all planets around other stars are probably hundreds of times larger than the earth. C. A planet orbiting a star similar to the sun would be more likely to be earthlike in size than would a planet orbiting a much smaller star. D. The smaller a planet is relative to the star it orbits, the more difficult it is for astronomers to detect. E. The observations would have detected any small, earthlike worlds orbiting the stars around which larger planets have been detected. 答案 点击下方空白处获得答案 D Part1：什么是类地行星？ 说到类地行星，可能其实很多童鞋只知道大概是类似地球的行星，却不太清楚到底天文学上到底指的哪些方面相似。 我们简单科普一下：所谓类地行星，通常指的是以硅酸盐或碳酸盐石为主要成分的固态行星。那么问题来了： 太阳系有四颗类地行星，按体积算，老四是水星，老三是火星，老二是金星，请问老大是谁？ 废话，当然是地球啦！没答出来的童鞋，罚你转发此文以儆效尤。 太阳系八大行星中其他四颗都是类木行星，它们都是气态行星，质量和体积都比地球大得多。什么？你说九大行星？不好意思，冥王星由于之前虚报了身高体重，在2006年就被降级为矮行星了。  天文学家为啥要整个“类地行星”的分类呢？答案很简单：想给人类找个备胎呗。 地球目前是我们赖以生存的宜居环境，可环境恶化、气候变迁、能源枯竭的担忧始终让人类坐立不安。再加上太空环境也未必那么安全，之前的文章介绍过，没准哪天一颗小行星砸下来，咱们人类恐怕难逃当年恐龙的命运。 在未知的危机来临之前寻找到逃离地球的可行方法和一个明确的目的地，才能让人类对自己的命运有安全感。 可惜太阳系内的类地行星目前来看都不太适合人类居住。所以科学家们要把眼光放到太阳系之外，寻找系外的宜居类地行星。 当然，想要找到系外宜居类地行星，前提是咱们首先得能找到系外行星。 可能在你的认知中，觉得系外行星的存在理所应当比比皆是。但实际上，人类真正对系外行星的探索史，迄今为止只有30余年，从上世纪80年代开始，直到上世纪90年代才有真正的突破。 而2019年的诺贝尔物理学奖，就用来表彰了系外行星的发现。  左边这位美国老头詹姆斯·皮布尔斯因宇宙理论领域的发现（for the theoretical discoveries in physical cosmology），独占了一半的奖金。 而右边两位瑞士科学家米歇尔·马约尔与他的弟子迪迪埃·奎洛兹则因为发现了一颗绕类太阳恒星运行的系外行星（for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star）而分享了另一半奖金。 Part2：他们是最早发现系外行星的人么？ 马约尔和奎洛兹在1995年发现了“第一颗绕主序星运行的系外行星”，它的名字叫做飞马座51b。注意限定性小词solar-type star，类太阳恒星，也就是主序星。换句话说他们并不是第一个发现系外行星的科学家。 早在1992年，波兰科学家亚历山大·沃尔兹森和美国科学家戴尔·费雷欧就发现了两颗系外行星。不过他俩发现的系外行星是围绕一颗脉冲星运行的行星，意义不大；再加上他俩用的方法“脉冲计时法”局限性很高，因此无缘诺奖。 不要装了，读到这你其实很困惑：啥是主序星？啥是脉冲星？为啥发现绕脉冲星转的行星就意义不大？如果你说你不感兴趣，建议你回头看看前面爱因斯坦的话，或者去看看阅读寂静，每年都有脉冲星（pulsar）。 还是简单科普一下吧： 恒星的形成 恒星的演化可以分成四个时期： 诞生期：从巨分子云（星云）阶段开始。巨分子云就是一大堆密集的原子，因为一些事件导致引力坍缩（就是引力使得它们向中心靠拢），开始自转并形成原始星。 坍缩过程中，质量太小的原始星温度不够达到开始核聚变的程度，那么就无法形成恒星，会变成褐矮星，进化失败，慢慢凉凉。  而大部分质量更大的原始星温度会达到一千万开，氢会发生核聚变形成氦，并开始自行发光形成恒星。 成年期：当恒星核聚变释放的能量足以对抗引力坍缩，则形成了一个静态平衡，恒星进入成年期，这就是所谓主序星。主序星会落在赫罗图的主星序特定点上，并在这一阶段停留几百万年到千亿年。下图就是赫罗图：  这张图的纵轴是恒星光度（以太阳光度为1），横轴是恒星的温度和颜色。从左上到右下的带状区域就是主星序，在主星序范围内的恒星就是主序星。主序星的光度和温度有明显关联：温度越高亮度越高，并且颜色越蓝。 老年期：当恒星的氢原子逐渐消耗殆尽，主序星就会逐渐退出主星序，变成赫罗图右上角的红巨星甚至超红巨星。这个阶段恒星的体积会增大，但表面温度会降低。而氢聚变不足以抵抗引力坍缩，恒星核心部分剩下的氦核会继续坍缩，压力增大温度升高，引发氦聚变来对抗引力坍缩。这个阶段大约持续几百万年，但很不稳定。 死亡期：像太阳这样质量不算大的恒星，老年经过红巨星阶段直至氦聚变能量不足，就会演变成左下角的白矮星甚至黑矮星，宣告死亡。而质量更大的恒星，老年期经过超红巨星阶段和超新星爆发阶段，最终会坍缩成黑洞或者密度极大的中子星。所谓脉冲星，就是高速旋转的中子星，它是恒星的死亡形态，密度极大，具有极强的磁场，并且会释放出超强的辐射。 显然，脉冲星附近的行星，极其不适合人类生存。这就是为啥1992年发现的第一颗系外行星意义不大的原因之一。 那么问题又来了：人类发现的第一颗脉冲星，是在什么时候发现的呢？ 答案是1967年。没答出来的童鞋，罚你做一做这道SC题： Although the first pulsar, or rapidly spinning collapsed star, to be sighted was in the summer of 1967 by graduate student Jocelyn Bell, it had not been announced until February, 1968. A. Although the first pulsar, or rapidly spinning collapsed star, to be sighted was in the summer of 1967 by graduate student Jocelyn Bell, it had not been announced until February, 1968. B. Although not announced until February, 1968, in the summer of 1967 graduate student Jocelyn Bell observed the first pulsar, or rapidly spinning collapsed star, to be sighted. C. Although observed by graduate student Jocelyn Bell in the summer of 1967, the discovery of the first sighted pulsar, or rapidly spinning collapsed star, had not been announced before February, 1968. D. The first pulsar, or rapidly spinning collapsed star, to be sighted was observed in the summer of 1967 by graduate student Jocelyn Bell, but the discovery was not announced until February, 1968. E. The first sighted pulsar, or rapidly spinning collapsed star, was not announced until February, 1968, while it was observed in the summer of 1967 by graduate student Jocelyn Bell. 答案 点击下方空白处获得答案 D Part3：拿到诺奖的系外行星是个啥？ 前文说到，今年的诺奖表彰的是对第一颗绕类太阳恒星运行的系外行星的发现。被发现的行星叫做飞马座51b（51 Pegasi b）。它是围绕恒星天马座51运行的一颗气态行星。由于它距离恒星十分近，因此温度特别高，公转速度也很快。于是天文学家又给这类行星起了个形象的名字：热木星。 下图是瑞典皇家科学院提供的星座图，这些星座主要在秋夜星空可见，东哥帮大家标注了中文，以供大家装逼使用：  飞马座51b距离地球约50.9光年，质量是木星的一半左右，也就是地球的160倍；而它的体积是木星的两倍，也就是地球的2600倍。它距离母恒星非常近，比离太阳最近的水星到太阳的距离近得多，因此其公转周期特别短只有4天，表面温度也非常高，有1000度。 它的发现，与当时盛行的行星形成理论是矛盾的：当时科学家们认为恒星的近距离短周期轨道上不可能形成行星。最开始它被认为是一个异常特例，可后来随着更多的热木星的发现，促使天文学家们开始研究行星迁移现象，并修改行星形成理论。这极大程度上推动了宇宙理论和系外行星探测的蓬勃发展。这也是这一发现能够收获诺奖的原因之一。 下图是飞马座51b的基本参数，有兴趣的童鞋可以看看：   Part4：它是如何被发现的？ 我们知道，行星自己是不会发光的。换句话说，行星的发现不是你想象的简简单单拿着天文望远镜对着天空瞎看看见的。那么接下来东哥就用中文+图示的方式给你解释下马约尔和奎洛兹发现行星的方法。如果中文+图示你都看不懂，那就不要问我为啥GMAT阅读你读不懂了，真不光是语言上的问题。 马约尔和奎洛兹所用的方法叫做多普勒径向速度法。想理解这个方法，首先你得知道多普勒效应。 多普勒效应 当波源和观测者有相对运动时，观测者观察到的波源所辐射出的波长和频率会产生变化。当波源朝远离观测者方向运动时，波长变长频率变低，我们称之为红移；当波源朝靠近观测者方向运动时，波长变短频率变高，我们称之为蓝移。 是不是有些童鞋没懂？GMAT阅读考到过哦！我们举个例子吧：当救护车远离我们时，听到的声音音高和频率会显得低一些，这就是声波的红移；当救护车靠近我们时，听到的声音音高和频率会显得高一些，这就是声波的蓝移。如图所示：  实际上你用脸盆装满水，用手指朝一个方向运动，看看前后的水波也能直观观测到多普勒效应。 那么问题又来了：我们在地球上观测恒星，恒星是相对我们运动的么？ 实际上，两颗星体之间的万有引力，会使得两者围绕整体质心旋转，而质心并不改变。质心的位置跟两者的质量比有关。如果两个球体一样重，那么质心就在正中间；而如果质量不同，那么质心会向质量大的球体偏移。 太阳系当中，所有行星加起来的质量也只有太阳的千分之一，所以质心几乎和太阳自身的球心重合。因此太阳绕质心旋转的幅度太小，我们看上去好像它是不动的。下图已经是放大了这个旋转的效果：  而有的恒星系中，行星质量比较大，足以使得整体系统质心在恒星球体之外，那么旋转效果就会比较明显：  多普勒径向速度法就是利用恒星的这种运动来间接观测行星的。  如上图所示，咱们在地球上的观察位置在最下方。假如有一颗恒星受未知行星引力影响产生了如白色小圆顺时针方向的旋转，那么当它运行到小圆右侧时会发生光谱的蓝移，而运行到小圆左侧时会发生光谱的红移。 反过来，如果我们在地球上观测到某颗恒星光谱出现周期性的频率变化，那么就可以推断这颗恒星周围存在较大质量的行星，甚至可以估算行星的质量和大小。下面的来自nasa官网的小视频可能会更加清楚一些：  video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_1961349209522044930 这么说，你看明白了么？ 这种方法提出之后，国际上多个小组就开始使用这种方法，长期监测天上的恒星。而马约尔与弟子奎洛兹携带位于法国上普罗旺斯的一台天文望远镜和当时最先进的光谱分析设备，率先在飞马座51这颗恒星上发现了这一现象，并在1995年10月6日与《自然》期刊上发表论文，宣布发现飞马座51b。  上图是两位科学家和发现飞马座51b的天文望远镜。这台望远镜被他们涂成了他们的幸运色红色，果然给他们带来了好运！ 仅仅6天之后，美国科学家杰佛瑞·马西和保罗·巴特尔也观测到了飞马座51b，从侧面证实了这一发现。其实马西在系外行星领域的学术贡献并不比马约尔要小：这一发现之后10年内超过一半的系外行星都是马西团队发现的。2005年，有着东方诺贝尔奖之称的邵逸夫奖的天文奖，就颁给了马西和马约尔，以表彰他们在系外行星领域的贡献。 那为啥诺贝尔奖没有马西的份呢？难道就因为这短短的6天时间差么？显然不是。马西这辈子恐怕都与诺奖无缘了。几年前他因为性骚扰女学生而声名狼藉，并被加大伯克利分校开除了。正所谓流氓不可怕，就怕流氓有文化。这个故事告诉我们：德艺双馨，万人敬仰；有才无德，遗臭万年。 不由得我又想起了皮毛管理员可民“老湿”曾经说过的一句感言：出分和做人是两码事。路遥知马力，日久见人心。 Part5：系外行星研究的最新发展 虽然马约尔他们发现的飞马座51b并不是类地行星，但他们的成功大大鼓舞了天文学家们的士气，越来越多的科学团队投入到了寻找发现系外行星的理论和监测工作中，带动了系外行星这个新兴领域的蓬勃发展。 径向速度法一开始是用于寻找系外行星的主流方法。但它有很大的局限性，只能用来发现质量较大运行周期较短的行星。再加上这种方法对信噪比的要求非常高，所以只能用来观测距地球160光年以内的恒星。 后来科学家们又设计了一种叫做“凌日法”的方法。这个方法是利用行星经过恒星和地球之间时，对恒星光线的遮挡导致恒星光度发生微小周期变化来推测行星的存在的。其原理如下图所示：  当然，现实中行星能挡住恒星的范围相当小，比方说地球的尺寸只能挡住太阳十万分之八的光线。所以这个方法对设备精度要求很高。而且这个方法还需要考虑排除双星系统、太空背景中带来的星蚀等噪音干扰，所以它的虚假率较高。但好在这个方法可以大范围观测恒星，并且能够发现一些质量相对小，轨道相对远的行星所以当今的现实操作中，往往是通过凌日法来初步探测疑似行星的情况，再通过径向速度法等其他方法来对嫌疑行星进一步验证，最终确定是否真的存在系外行星。 有了凌日法之后，新行星发现的速度越来越快。再加上天文望远镜和频谱分析仪的技术精度不断改进，最近10年发现的行星数量大增。迄今为止至少有4000多颗系外行星被发现。  上图中红色部分是用径向速度法发现的系外行星数量，而绿色部分则是用凌日法为主发现的系外行星数量。 咱们今天的题目中提及观测到200多颗行星，从上图来看大约是在2005年左右。那时候还没有广泛使用凌日法，基本上完全依赖径向速度法。那么站在作者当时的角度，观测方法只能发现较大行星的说法也就不难理解了。 实际上，近几年来越来越多多系外行星甚至是类地行星被发现。而马约尔和奎洛兹的获奖，再次鼓舞了天文学家。上周的《美国国家科学院期刊》发表了一篇最新报告，根据NASA公布的最新数据和新的理论，有天文学家计算出，在我们银河系就至少有400亿颗体积和地球相似的行星。报告中还指出，这些行星中，适合人类居住（温度、水、空气条件均宜居）的类地行星可能比之前科学家预料的数量还要多得多。 之前我在微博上也曾看见一篇关于中国科学家新发现系外行星的报道。当时有网友在下面留言：国家浪费那么多钱在这种没有意义的事情上面，发现了你也去不了，还不如多发点钱给我让我日子好过点呢！ 我当时的想法是：可能将来有一天，科技发展到人类真的冲出了太阳系登上了系外宜居行星。那时的人们看到今天的我们中有人对系外行星了解如此之少甚至不屑一顾，恐怕会感到十分诧异，就好像今天的我们似乎很难理解古代人对地球是圆的、地球绕太阳转这些“常识”了解如此之少甚至不屑一顾一样。 但科学永远不会停下它的脚步，也永远没有终点。如果我们忘记了人类是如何走到今天的，选择了停下自己的脚步，那么终究会被时代的大潮所冲刷淘汰。 我们无法成为全知全能的上帝。但我希望，我们能保持强烈的好奇心和求知欲，即使做不到推动潮流的进步，至少做到顺应时代的发展。 好啦，今天的天文科普就到这里吧，希望对你的背景知识补充会有所帮助，起码你得先保证中文+图片你能看懂，才谈得上在考试中的英文文字描述有可能读明白哦！ 我是略懂皮毛的东哥，小伙伴们，我们下期再见！ 点击进入东哥的留言板 GMAT备考 请戳一戳  |
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